Sullo schermo, bianco su sfondo nero, una Drosophila melanogaster ingrandita migliaia di volte muove tranquillamente le sue sei zampe su una superficie sferica. "Guardate, tra un attimo dovrebbe fare il moonwalk". Siamo nel cuore del Laboratorio di Neuroingegneria dell’EPFL, in compagnia di Pavan Ramdya, responsabile del progetto, e di Maite Azcorra, studentessa post-dottorato. Utilizzando l’optogenetica, la mosca sotto il microscopio passa attraverso un ciclo di movimenti dettati ai suoi neuroni da impulsi di luce. Come a comando, l’insetto scuote improvvisamente gli arti, eseguendo di fatto una piccola danza al contrario...
Il team di Pavan Ramdya lavora dal 2017 sul sistema neurale di questo moscerino di 2 mm, noto come moscerino della frutta . "Maite sta attualmente studiando come i neuroni discendenti del cervello controllano i circuiti motori", spiega il neuroscienziato. In definitiva, l’équipe di 14 persone si propone di reingegnerizzare il cervello della Drosophila. Tra le tappe più recenti del progetto vi sono la creazione di un gemello digitale della mosca, che consente di simulare le sue reazioni in modo realistico, e importanti progressi nella comprensione di come le reti neurali trasformano semplici segnali cerebrali in azioni coordinate. Facciamo due chiacchiere nello studio del neuroscienziato newyorkese.
In poche parole, come definirebbe lo spirito del suo progetto?
Per secoli si è cercato di costruire macchine che assomigliassero ad animali o esseri umani. Nell’antica Grecia si creavano semplici marionette, ma possiamo già parlare di biomimetica: osserviamo come si muove un corpo e cerchiamo di imitarlo. Qui stiamo perseguendo la stessa passione. La differenza è che oggi gli strumenti e le capacità si sono sviluppati al punto da poterlo fare con un piccolo animale come la drosofila.Perché proprio la Drosophila melanogaster?
Esistono animali più complessi, come i mammiferi, ma sono più difficili da studiare. Ce ne sono di più semplici, come il verme C. elegans, che ha solo 300 neuroni (N.d.T.: la Drosophila ne ha circa 100.000 e l’uomo ne ha circa 86 miliardi), ma c’è molto meno da imparare da loro. A differenza dei vermi, le mosche hanno le zampe. Con esse fanno molte cose. Si muovono, si puliscono, spingono gli ostacoli... Nel campo della robotica o delle protesi, è molto più interessante capire come funziona una creatura con zampe e ali. Sono esseri perfetti da questo punto di vista: abbastanza semplici da essere studiati, ma abbastanza complessi da avere una quantità enorme di cose da imparare!
Nel suo recente discorso al TEDx ha detto che i robot che potremmo usare per esplorare e colonizzare nuovi pianeti assomiglieranno molto a queste mosche...
Questi robot esploratori dovranno raggiungere da soli una serie di obiettivi. Dovranno prendere decisioni mentre navigano su terreni sconosciuti e ostili. I ricercatori ci lavorano da decenni, ma finora anche i robot più sofisticati non sono all’altezza di questo semplice animale. Le mosche hanno capacità incredibili. Oltre a volare, hanno una grande stabilità grazie alle loro sei zampe. Possono muoversi in tutte le direzioni, in tre dimensioni, a testa in giù, mentre eseguono compiti con le loro zampe.... Una vera fonte di ispirazione.
Quali sono le prospettive del vostro progetto in termini di robotica o di IA?
Molte persone lavorano sull’aspetto hardware, sulle batterie e così via. Non è il nostro campo. Stiamo cercando di creare il centro di controllo, il controller neurale. Con l’idea di creare una mosca robot, ci interessa capire come controllerà i suoi arti. Stiamo studiando il funzionamento del sistema nervoso della mosca per poterne trarre ispirazione e ricreare reti neurali artificiali che possano essere utilizzate nell’IA o nella robotica. Per inciso, non è necessario che questo robot abbia le dimensioni di una mosca. Finché la scala è rispettata, lo si può immaginare in ogni tipo di dimensione; potrebbe essere grande come una casa, anche se potrebbe essere un po’ spaventoso.Ma il vostro lavoro va oltre...
Sì. Stiamo lavorando anche sui sensori che le mosche hanno sugli arti. Questo è uno degli aspetti unici delle mosche. Le loro zampe sono ricoperte di sensori meccanici. Come fa la mosca a utilizzare tutte le informazioni che raccoglie per capire l’ambiente e gli oggetti che incontra, e come decide se alzare o meno le zampe in un determinato momento? Queste sono le domande a cui stiamo cercando di rispondere. Per farlo, stiamo cercando di creare materiali simili a quelli della cuticola della mosca, con sensori integrati, che potrebbero essere incorporati nei robot.Molti specialisti di robotica e IA ritengono che per creare macchine veramente capaci di apprendere, queste dovranno essere dotate di corpi in grado di muoversi nell’ambiente, di toccarlo...
Sì, è una delle teorie centrali tra coloro che studiano la neurobiologia e il comportamento. E poiché i sistemi viventi funzionano meglio dei robot, dovrebbe essere una delle teorie centrali anche nell’IA. Le persone che lavorano nell’apprendimento automatico spesso sottolineano che negli esseri umani i bambini si muovono, toccano ed esplorano continuamente per capire il mondo. Questa esplorazione, ovviamente, funziona infinitamente meglio che se gli venissero forniti solo molti dati o video. I sensori di cui si parlava nella mosca servono proprio a questo scopo.
Quali sono i principali ostacoli da superare nello sviluppo di sistemi in grado di imparare esplorando il proprio ambiente?
Uno degli ostacoli è riuscire a creare algoritmi in grado di prendere in considerazione i dati sensoriali e trasformarli in qualcosa di utile. Se non riusciamo a capire come vengono mappati questi dati, è molto difficile imparare a sviluppare un comportamento adeguato. Credo sia importante sottolineare una cosa: la soluzione c’è, esiste. È solo nascosta nel sistema nervoso degli animali. È questo che stiamo cercando di svelare. Piuttosto che passare decenni a cercare di generare soluzioni de novo, perché non cercare queste soluzioni negli animali?
È sicuramente un approccio più semplice e veloce?
A dire il vero, la soluzione probabilmente comporterà una combinazione dei due approcci. Anche perché un animale è soggetto a molti vincoli e obiettivi che qui non ci interessano. Non abbiamo bisogno di creare robot in grado di riprodursi o di defecare, per esempio. Ecco perché abbiamo bisogno di biologi, non solo di ingegneri. I biologi sono in una posizione migliore per sapere cosa deve essere scartato: sapranno quali neuroni vengono utilizzati per evacuare il cibo, ad esempio, in modo che gli ingegneri non debbano preoccuparsene. Da qui l’importanza dell’interdisciplinarità nel nostro lavoro.L’obiettivo finale è quello di mappare il cervello umano?
Le darò una risposta piuttosto egoistica, ma per me personalmente non è così importante. Mi restano, diciamo, 40 anni di vita, se sono fortunato, e vorrei davvero vedere scoperte importanti che mi insegnino come funzionano i sistemi biologici, mentre sono ancora vivo. È possibile con la mosca. Il cervello umano sarà più complicato. Forse è solo una questione di scala. Forse si tratta solo di prendere il cervello di una mosca e moltiplicarlo per un milione? Si otterrebbe qualcosa di intelligente, che sarebbe senza dubbio interessante. Ma sarebbe simile all’intelligenza umana? Non ne sono sicuro. Non credo che per il cervello umano si possa usare lo stesso approccio della mosca. Ci vorrebbe troppo tempo.In che modo il suo approccio alle neuroscienze è diverso da quello di altri neuroscienziati?
Nelle neuroscienze, direi che oltre il 99% delle persone lavora nella biologia fondamentale, su argomenti legati alla medicina umana. La maggior parte degli studi è legata all’impatto che possono avere, ad esempio, sul trattamento di una malattia. Di conseguenza, nella maggior parte dei casi studiamo topi o ratti, perché sono mammiferi come noi. Credo che quello che stiamo facendo qui in laboratorio possa cambiare le prospettive in due modi. In primo luogo, non guardiamo solo alle neuroscienze in relazione alla salute umana. Stiamo pensando in termini di robotica, di nuovi modi di costruire macchine. In secondo luogo, stiamo richiamando l’attenzione sulla piccola frazione di neuroscienziati che studiano gli insetti. Non dobbiamo dimenticare che gran parte degli insetti del mondo è minacciata. L’impollinazione e le api, ad esempio, sono questioni di immensa importanza. La Drosophila non è in declino, ma studiarla può aiutarci a conoscere meglio le specie che lo sono e ad arrestarne il declino. Ci aiuta a vedere il mondo in modo più eco-sistemico, a pensare al ruolo della diversità animale sul pianeta.
BIO ESPRESSO
Pavan Ramdya è nato a New York nel 1979. È cresciuto a pochi passi dalla città, a Long Island. Da bambino ha subito sviluppato un interesse per i robot: "Mi sono sempre chiesto come avremmo potuto costruirne uno che assomigliasse a un essere umano, mi affascinava.Da giovane, aveva inizialmente puntato sulla medicina: "come americano di origine indiana, generalmente ci si aspetta che diventi un medico o un ingegnere", dice oggi sorridendo. Ma proprio mentre stava preparando la domanda per studiare medicina, ha cambiato idea all’ultimo minuto e ha scelto le neuroscienze. Prima alla Drew University, poi all’Università di Harvard, dove ha conseguito il dottorato nel 2009.
È stato nell’ambito del suo lavoro post-dottorato, già sulla drosofila, che è arrivato a Losanna. Prima nel laboratorio di Richard Benton all’Università di Losanna, poi in quello di Dario Floreano all’EPFL. Dopo aver trascorso due anni al California Institute of Technology, nel 2017 è tornato all’EPFL come professore di neuroscienze e bioingegneria. Dirige il Laboratorio di Neuroingegneria.
Il neuroscienziato è anche un musicista. Nel suo ufficio, il suo Fender Jazz Bass regna sovrano. "Quando ero più giovane, facevo molte jam session, suonavo il rock, i Led Zeppelin e così via. Al giorno d’oggi, suono ancora ogni volta che riesco a trovare il tempo. Mi piace ogni tipo di musica". Il suo groove corrisponde al suo talento di ricercatore? Scopritelo oggi, 4 aprile 2025, sul palco del Polydôme con la SV Band.
